橡膠瀝青混合料抗松散性能測試方法研究

作者簡介：熊保林（1990—），工程師，主要從事道路新材料研發(fā)工作。

摘要：文章采用橡膠瀝青與級配AC-10-1、AC-10-2、AC-10-3和AC-10-4分別制備馬歇爾試件進行肯塔堡飛散試驗。研究發(fā)現(xiàn)，各級配混合料之間的飛散損失率區(qū)分度較小，其中AC-10-2、AC-10-3和AC-10-4級配混合料兩兩相差最大不超過0.3%；僅改變試驗條件的轉數(shù)，亦不能有效地區(qū)分各級配混合料之間的抗松散性能。故設計正交試驗，改變試驗條件，測定不同條件下AC-10-2、AC-10-3和AC-10-4級配混合料的飛散損失率。結果表明：水浴20 ℃、鋼球個數(shù)為10個、旋轉次數(shù)為600轉時，各級配混合料抗松散性能區(qū)分最明顯；瀝青混合料試件的飛散損失率隨著溫度的升高而降低，隨著旋轉次數(shù)和鋼球個數(shù)的增加而增大，并逐漸趨緩；AC-10-4級配混合料抗松散性能最好，AC-10-3次之，AC-10-2再次之，AC-10-1最差。

關鍵詞：橡膠瀝青；抗松散性能；飛散損失；正交試驗

中圖分類號：U416.03A060184

0 引言

集料松散和剝落是瀝青路面常見的病害之一，因為瀝青混合料中瀝青與集料粘結性不佳，導致混合料粘結力不足或強度不夠，在長期車輛荷載、光照和降雨等因素的影響下，集料顆粒易從瀝青路面剝落，并逐漸形成坑槽等。因此，提高瀝青混合料的抗松散性能對于路面鋪筑具有重要意義。

肯塔堡飛散試驗主要用于驗證瀝青混合料的抗松散性能^［1-3］，但該試驗方法存在一定的局限性，例如，遇到橡膠瀝青等高黏度的瀝青混合料時，不能有效區(qū)分不同級配混合料的抗松散性能。因此，改進部分試驗條件，提高不同瀝青混合料試件之間的抗松散性能區(qū)分度有著重要意義。黃學文^［4］對三種不同級配的大空隙瀝青混合料進行老化處理后對其開展肯塔堡飛散試驗，研究發(fā)現(xiàn)提高老化程度和在60 ℃環(huán)境下浸水等因素會提升混合料試件的飛散損失率。張宜洛等^［5-6］對克拉瑪依90^#、東海90^#、中海90^#基質(zhì)瀝青下的SMA-13、OGFC-13、AC-13級配混合料進行肯塔堡飛散試驗，試驗結果顯示OGFC級配混合料的飛散損失率區(qū)分度不明顯，故從水浴溫度、鋼球個數(shù)和試驗轉數(shù)的角度設計正交試驗，研究發(fā)現(xiàn)，在溫度20 ℃、鋼球10個和轉數(shù)300的條件下，瀝青混合料試件的抗松散性能可得到顯著的區(qū)分。

目前的研究主要集中在對普通瀝青和改性瀝青混合料的肯塔堡飛散試驗改進方面，對于橡膠瀝青混合料的抗松散性能研究不多。因此，本文對肯塔堡飛散試驗方法展開研究，探究不同因素對混合料飛散損失率的影響，以期獲得適用于橡膠瀝青混合料的肯塔堡飛散試驗條件，有效判斷不同級配混合料的抗松散性能。

1 原材料及級配設計

試驗采用的橡膠瀝青、輝綠巖粗、細集料、礦粉等原材料均符合規(guī)范要求。匯總橡膠瀝青混合料相關規(guī)范標準級配設計范圍，并基于經(jīng)驗法分別擬定了級配AC-10-1、AC-10-2、AC-10-3和AC-10-4，如圖1所示。

2 問題發(fā)現(xiàn)及試驗方法

2.1 問題發(fā)現(xiàn)

按照《公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）中的肯塔堡飛散試驗方法，測定各級配混合料抗松散性能。對各級配混合料進行轉數(shù)為300轉的標準肯塔堡試驗測試，試驗結果顯示各級配混合料之間的飛散損失率非常接近，因此，在原試驗基礎上改變轉數(shù)大小，轉數(shù)分別為450轉和600轉，以期提高各級配混合料的抗松散性能區(qū)分度，試驗結果如圖2所示。

（1）由圖2可知，隨著轉數(shù)的增加，混合料的飛散損失率逐漸增大，但增速趨緩。對比不同轉數(shù)下的試件飛散損失率發(fā)現(xiàn)，在300轉時，各級配混合料的飛散損失率較為接近，最大差值不超過0.3%。但在增加轉數(shù)后，各級配混合料的飛散損失率逐漸增大，其中AC-10-1級配混合料的飛散損失率明顯增大，而AC-10-2、AC-10-3和AC-10-4的飛散損失率仍然相近，不能明顯地區(qū)分。

（2）隨著瀝青膜厚度的增加，瀝青混合料的抗松散能力提升。由圖3可知，在不同轉數(shù)下，混合料試件的飛散損失率均隨著瀝青膜厚度的增加而降低。因為隨著瀝青膜厚度的增加，瀝青混合料中集料與集料之間的粘結力增大。在受到外力撞擊時，集料顆粒從混合料中剝離的難度增加，因此飛散損失率降低。

（3）隨著分形維數(shù)的增加，瀝青混合料的抗飛散性能降低。由圖4可知，隨著分形維數(shù)的增加，各級配混合料的飛散損失率不斷增大。分形維數(shù)的增加表現(xiàn)為級配混合料中細集料的增加。此外，各級配混合料的設計空隙率均為4%，而油石比均接近6%。因此，當混合料中細集料的含量增加時，包裹在集料表面的瀝青膜厚度減小，混合料的粘結力減小，導致飛散損失率增加。

（4）綜上可知，當各級配混合料的飛散損失率較接近時，僅增加轉數(shù)并不能有效地區(qū)分各級配混合料之間的抗松散性能。

2.2 試驗方法改進

經(jīng)過上述試驗發(fā)現(xiàn)，在不同轉數(shù)下的肯塔堡飛散試驗中，AC-10-2、AC-10-3和AC-10-4級配混合料的飛散損失率均非常接近，飛散損失值差值在0.1%～0.3%，試驗存在的偶然誤差可能會對試驗結果產(chǎn)生較大影響。故本文對飛散試驗進行正交設計，研究不同因素對混合料試件飛散損失率的影響，以尋求更好的試驗方法，提升混合料試件抗松散性能的區(qū)分度。

從溫度、鋼球數(shù)量和旋轉次數(shù)的角度進行正交試驗設計，探究不同因素對瀝青混合料抗松散能力的影響。試驗條件中，溫度分為水浴20 ℃、水浴40 ℃和水浴60 ℃；鋼球個數(shù)分為0個、5個和10個；旋轉次數(shù)分為300轉、450轉和600轉。如表1所示。

3 試驗結果分析

制備標準馬歇爾試件（雙面擊實50次），將試件放入對應的恒溫水箱中養(yǎng)護20 h，養(yǎng)護結束后，進行肯塔堡飛散試驗，記錄試驗數(shù)據(jù)。平行試驗的試件為3組，取平均值作為最終試驗結果，如表2所示。

對現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)進行極差分析計算，見表3～5。

（1）隨著溫度的升高，飛散損失率逐漸減小。由圖5可知，試件養(yǎng)護溫度每增加20 ℃，AC-10-4級配混合料的飛散損失率分別減少26.4%和36.2%，AC-10-3級配分別減小20.6%和33.5%，而AC-10-2級配分別減少17.3%和32.0%。試驗發(fā)現(xiàn)，瀝青混合料的飛散損失主要發(fā)生在試件的邊緣處。當試件的養(yǎng)護溫度增加時，瀝青的黏度會降低，試件整體變軟，抗剪切性能降低。在受到外力作用時，試件容易產(chǎn)生變形，因此在飛散試驗中，溫度高的混合料試件受到外力沖擊作用時，試件邊緣易由“方形”變?yōu)椤皥A形”，增大了試件與設備撞擊時的接觸面積，集料顆粒剝落的可能性降低。此外，試件溫度降至試驗環(huán)境溫度需要一定時間，在該時間段中，掉落的集料顆粒在外力反復沖擊下，有再次嵌入試件的可能，進一步降低了飛散損失率。養(yǎng)護溫度較低時，試件剛性較強，試件邊緣顆粒脫落的可能性更大，飛散損失率增加。

（2）隨著鋼球數(shù)量的增加，飛散損失率增大，并逐漸趨緩。由圖6可知，在鋼球個數(shù)由0個增加到10個的過程中，每增加5個鋼球，AC-10-4級配混合料飛散損失率分別增加了54.0%和12.3%，AC-10-3級配分別增加了53.7%和12.1%，AC-10-2級配分別增加了49.1%和12.9%。增加鋼球數(shù)量后，鋼球隨著混合料試件一起高速旋轉轉動，混合料試件受到鋼球和洛杉磯磨耗儀圓筒的雙層沖擊，進一步破壞試件表面，增加了集料從試件表面的脫落概率，導致飛散損失率增大。而隨著鋼球數(shù)進一步增大，試件的體積保持不變，能夠同時與試件發(fā)生撞擊的鋼球數(shù)量存在一個上限，因此飛散損失率逐漸趨緩。

（3）隨著旋轉次數(shù)增加，混合料的飛散損失率增加，并逐漸趨緩。由圖7可知，旋轉次數(shù)從300轉增加到600轉的過程中，每增加150轉，AC-10-4級配混合料的飛散損失率分別增加了41.8%和17.7%，AC-10-3級配分別增加了46.6%和13.5%，而AC-10-2級配分別增加了44.6%和14.0%。在進行肯塔堡飛散試驗時，最先受到?jīng)_擊的是瀝青混合料試件的邊緣部分。在外力作用下，邊緣處的集料因相鄰集料間粘結力不足或自身強度不夠，而發(fā)生剝落或破碎；隨著轉數(shù)的增加，試件邊緣逐漸由“方形”變成“圓形”，受沖擊的接觸面積增大，集料顆粒破碎和剝落的概率降低，飛散損失逐漸趨緩。

（4）通過以上數(shù)據(jù)及各級配的極差分析，初步確定溫度為水浴20 ℃、鋼球個數(shù)為10個、旋轉次數(shù)為600轉時，各級配混合料的抗松散性能區(qū)分度最明顯。

4 結語

（1）瀝青混合料試件的飛散損失率隨著溫度的升高而降低，而隨著旋轉次數(shù)和鋼球個數(shù)的增加而增大，并逐漸趨緩。在水浴20 ℃、鋼球個數(shù)為10個、旋轉次數(shù)為600轉的條件下，各級配混合料的抗松散性能區(qū)分度最明顯。

（2）對各級配混合料進行肯塔堡試驗，研究發(fā)現(xiàn)，AC-10-4瀝青混合料的抗松散性能最好、AC-10-3次之、AC-10-2再次之、AC-10-1最差。

（3）通過測定不同轉數(shù)下各級配混合料的飛散損失率，可知瀝青混合料試件的抗松散性能隨著瀝青膜厚度的增大而增強，隨著分形維數(shù)的增大而減弱。

參考文獻

［1］Xu S，Xu M，Zhang Y，et al.An indoor laboratory simulation and evaluation on the aging resistance of polyether polyurethane concrete for bridge deck pavement［J］.Frontiers in Materials，2020（7）：237.

［2］Ye Z，Jian L.The effect of fiber on the performance of open graded friction course（an environmental survey）［J］.Ekoloji，2019，28（107）：4 891-4 895.

［3］Cox B C，Smith B T，Howard I L，et al.State of knowledge for Cantabro testing of dense graded asphalt［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2017，29（10）：04017174.

［4］黃學文.大空隙瀝青混合料的耐久性研究［J］.中外公路，2013，33（4）：296-299.

［5］張宜洛，王 濤，張 軻.改進肯塔堡飛散試驗瀝青混合料松散性能研究［J］.中外公路，2016，36（5）：305-310.

［6］張 軻.瀝青混合料松散破壞研究［D］.西安：長安大學，2015.